Vliv velikosti transparentních konstrukcí na energetickou hospodárnost

Zasklené plochy jsou architektonicky velmi žádané, s čím je však třeba počítat z hlediska energetické náročnosti? Při navrhování budov je nutná elementární analýza všech faktorů, které mají výrazný vliv na energetickou hospodárnost. Jedním z nich je i poměr transparentních konstrukcí a netransparentních konstrukcí. V článku
se věnujeme analýze vlivu poměru transparentních konstrukcí a netransparentních konstrukcí na potřebu tepla na vytápění a chlazení na základě analýzy rodinného domu.

Při výstavbě obytných budov je v současnosti trendem navrhovat a stavět budovy tak, aby měly co nejnižší energetickou náročnost, což vyplývá i ze současně platné legislativy. Kromě zlepšení energetické hospodárnosti budov je cílem zvýšit i kvalitu vnitřního prostředí, zlepšit stavebně-technický stav a zabezpečit minimální náklady na provoz a na celkovou údržbu budov.

Důsledkem současného zvyšování cen za energie je potom realizace domů, které jsou navrženy s kvalitními tepelnětechnickými vlastnostmi a s využitím alternativních zdrojů energie na vytápění a přípravu teplé vody. Je přitom samozřejmé, že vstupní náklady na takové budovy jsou řádově vyšší než u standardních budov.

Zákon č. 300/2012 Sb. z. [1] ustanovuje, že od 1. 1. 2021 se budou navrhovat budovy s téměř nulovou potřebou, což bude vyžadovat mimo jiné i zlepšování obvodového pláště z tepelnětechnického hlediska. Bude třeba hledat optimální řešení, která zabezpečí rovnováhu mezi náklady na progresivní materiály a technická zařízení s celkovou sníženou energetickou náročností. Mezi faktory ovlivňující energetické úspory patří i konfigurace obvodových plášťů.

Výrazný vliv na tepelnou ochranu obvodového pláště má přitom například akumulace obvodového pláště, jeho vlhkostní vlastnosti, tepelné mosty, využití pasivních solárních zisků a také poměr transparentních a netransparentních částí obvodového pláště. Všechny tyto faktory je třeba řešit v budovách během celého roku (v zimním i v letním období). V článku jsme zvolili pro analýzu jednoduchý rodinný dům typu bungalov, který je detailněji popsán dále.

Analyzovaný rodinný dům – bungalov

Analyzovaný rodinný dům (bungalov) v základní alternativě 060 (6 % z celkové plochy obalových konstrukcí tvoří zasklení) je znázorněn na obr. 1 a 2. Na obr. 1 vidíme jednotlivé pohledy, na obr. 2 půdorys RD a zjednodušený model z grafického programu Sketchup 8.0 [5]. Při svém půdorysném rozměru 13,5 × 8,5 m a jednopodlažnosti má dům celkovou plochu 114,75 m², obestavěný objem je 366,05 m³, průměrná výška vytápěných podlaží 3,19 m a faktor tvaru budovy je 1,010 1/m.

a) západní pohled	b) severní pohled
a) východní pohled	b) jižní pohled

Obr. 1 Pohledy na posuzovaný rodinný dům – bungalov (zdroj: www.eurolineslovakia.sk) [12]

Jednotlivé obalové konstrukce (strop nad 1. NP, obvodová stěna, podlaha na terénu, vstupní dveře a transparentní konstrukce) byly navrženy z tepelnětechnického hlediska tak, aby splňovaly kritérium doporučených hodnot U_r1 a R_r1, které jsou stanoveny v normě STN 73 0540-2: 2012 (Z1/2016) [2].

a) půdorys	b) 3D simulační model rodinného domu z programu Sketchup 8.0

Obr. 2 Rodinný dům

Součinitel prostupu tepla je pro účely posuzování definován u stropu hodnotou U_strop = 0,200 W/(m² . K), u obvodové stěny hodnotou U_stěna = 0,220 W/(m² . K), u transparentních konstrukcí hodnotami Uokno(W) = 0,700 – 0,850 W/(m² . K) (v závislosti na podílu zasklení při hodnotách pro zasklení U_g = 0,650 a pro rám U_f = 1,100 W/(m².K)). Tepelný odpor podlahy na terénu je dán hodnotou R_podlaha = 2,5 m².K/W (po přepočtu U_podlaha = 0,210 W/(m² . K)). Celková propustnost slunečního záření použitého trojskla je dána hodnotou g = 0,49.

Zbývající obalové konstrukce tvořící podkrovní prostor (podbití přesahů obytného půdorysu), jakož i samotná šikmá střecha jsou modelovány s minimálními tepelnětechnickými vlastnostmi – v případě podbití dřevěnými deskami s tloušťkou 20 mm a v případě šikmé střechy keramickou krytinou s touž tloušťkou 20 mm. Tato zóna tvoří v případě simulačního hodnocení jen okrajovou podmínku výpočtu jednotlivých zón pod ní.

Pro účely posuzování byla definována proměnlivá úroveň podílu zasklení. Tento podíl lze definovat u samotných obvodových stěn i u celkové obálky budovy. V tomto hodnocení je stanovený podíl z celkové plochy obálky (ze stropu, obvodové stěny a z podlahy na terénu). Minimální úroveň podílu zasklení vychází z reálného projektového řešení rodinného domu – přibližně 6,0 % –, postupně se tato hodnota zvyšuje o 0,5 % až na úroveň 12,0 % (alt. dům 120) všech obalových konstrukcí (ve smyslu tab. 1 a 3), čili na dvojnásobek.

Způsob, jakým se jednotlivé plochy zasklení mezi jednotlivými alternativami (dům 060 až dům 120) postupně zvětšovaly (i ve smyslu jejich konkrétní orientace na světové strany), je dokumentován v tab. 1 (plošně) a v tab. 2 (procentuálně).

Na obr. 3 vidíme v přehlednější podobě podíl zasklených ploch (stejně jako v tab. 2). Na severní fasádě, na níž se v projektovaném rodinném domě nacházelo jen jedno velmi malé okno, nebyly v dalších alternativách doplňovány žádné zasklené plochy. Výrazný nárůst ploch byl na zbývajících třech světových stranách/orientacích – na východě stoupal podíl zasklení z počáteční hodnoty 22,4 % až po 59,7 %, na jihu ze 14,1 % na 28,8 % a na západní straně z 33,6 % na téměř 64,0 %.

Obr. 3 Měrná potřeba tepla a chladu bungalovu – zjednodušená výpočtová metoda STN

Analýza potřeby tepla na vytápění a chlazení měsíční metodou

V první fázi posuzování byla provedena analýza pomocí měsíční výpočtové metody podle STN EN ISO 13 790 [4]. Výpočet potřeby tepla na vytápění a chlazení byl realizován ve výpočtovém programu EHB (energetické hodnocení budov).

Výpočet zohledňuje všechny výpočtové parametry, jako jsou solární (při chlazení i plnými částmi obalového pláště) a vnitřní tepelné zisky, energie způsobená vyzařováním tepla proti obloze, faktor využití tepelných zisků nebo tepelných ztrát, tepelné ztráty větráním a prostupem tepla konstrukcemi.

Okrajové podmínky pro normalizovaný výpočet potřeby tepla pro vytápění a chlazení

Okrajové podmínky jsou definovány ve smyslu STN EN ISO 13 790 [4]. Vnitřní tepelné zisky jsou u rodinných domů dány hodnotou 4,0 W/m², infiltrace n = 0,50 1/h (obojí čtyřiadvacet hodin denně, tři sta pětašedesát dnů v roce).

Počet vytápěných dnů (pro výpočet měrné potřeby tepla na vytápění) je dvě stě dvanáct, počet dnů použitých pro výpočet potřeby tepla na chlazení je sto padesát tři, tak, jak předepisuje norma STN 73 0540-2:2012 [3].

Vliv poměru transparentních a netransparentních konstrukcí na potřebu tepla na vytápění a chlazení

Zvyšováním procentuálního podílu transparentních konstrukcí v obalovém plášti se snižuje celková potřeba tepla na vytápění analyzovaného rodinného domu (obr. 4). Je to způsobeno hlavně zvyšováním solárních zisků objektu, kde má významný vliv na potřebu tepla i zvětšování podílu transparentních konstrukcí podle orientace obvodových stěn.

Obr. 4 Měrná potřeba tepla a chladu bungalovu – zjednodušená výpočtová metoda STN

Potřeba tepla na chlazení se proti potřebě tepla na vytápění zvyšuje v závislosti na podílu transparentních konstrukcí v obvodovém plášti. Zatím co potřeba tepla se u jednotlivých variant výrazně nesnižuje, potřeba chladu výrazně stoupá.

Analýza potřeby tepla na vytápění a chlazení simulační metodou

V druhé fázi posuzování byla uskutečněna analýza pomocí dynamické energetické výpočtové simulace v simulačním výpočtovém programu Energy Plus 7.2 [5] s počáteční grafickou podporou v programu Sketchup 8.0 [6]. Optimalizace výstupů a celková podpora se realizuje v podprogramu ResultViewer, který je součástí programu OpenStudio 0.10 [7].

Okrajové podmínky výpočtu potřeby tepla na vytápění a na chlazení pomocí energetické simulace

Okrajové podmínky jsou principiálně definovány a modelovány v součinnosti s dostupným testovacím referenčním klimatickým rokem (TRKR) lokality Bratislava. Aby bylo dosaženo co nejlepší shody, přiblížení se zjednodušenou výpočtovou metodou ve smyslu STN EN ISO 13 790 [4], simulovaly se v dalších regulovatelných výpočtových veličinách v úplné shodě se zjednodušenou metodou parametry vnitřních tepelných zisků (4,0 W/m²) a infiltrace n = 0,50 1/h (obojí čtyřiadvacet hodin denně, tři sta pětašedesát dnů v roce).

Ve smyslu přepočtu konkrétních vytápěcích dennostupňů přímo z testovacího referenčního klimatického roku se i ve zjednodušené metodě následně počítalo s hodnotou 3 095 K . den, a ne 3 422 K . den, jak to předepisuje ve svém výpočtu například i norma STN 73 0540-2,2012 [3].

Chlazení v energetické simulaci je definováno čtyřiadvacet hodin denně po tři sta pětašedesát dnů v roce v tom případě, pokud vnitřní teplota vzduchu ve všech obytných prostorech (včetně WC, skladů apod.) stoupne nad hodnotu +26,0 °C (stejné je to i ve zjednodušené metodě výpočtu).

Mezi odlišnosti, které do značné míry brání v poměrně logickém porovnávání zjednodušené metody výpočtu a energetické simulace, patří kromě akumulačních schopností jednotlivých konstrukcí i rozdílný způsob výpočtu tepelných zisků ze slunečního záření a definování okrajové podmínky tepelné ztráty podlahy na terénu a stropu do podkroví.

Vliv poměru transparentních a netransparentních konstrukcí na potřebu tepla na vytápění a chlazení

Na obr. 5 jsou komplexně zdokumentovány všechny významné simulační výstupy veličin nabytých simulací. Jde o měrnou potřebu tepla na vytápění a měrnou potřebu tepla na chlazení ve verzi bez venkovního stínění a měrnou potřebu tepla na chlazení s venkovním stíněním.

Obr. 5 Měrná potřeba tepla a chladu bungalovu – simulační metoda

Zvětšování plochy zasklení (na přibližně dvojnásobek) má za následek mírné snížení měrné potřeby tepla na vytápění – z hodnoty 49,0 kWh/(m² . rok) na 40,7 kWh/(m² . rok). Naopak negativně se odráží v chlazení, kde potřeba narůstá z 19,8 kWh/(m² . rok) až na téměř 52,5 kWh/(m² . rok). Výrazně pozitivnější je to v případě použití venkovního stínění, kde jsou obě tyto hodnoty i samotný nárůst výrazně nižší – od 6,3 kWh/(m² . rok) do 10,8 kWh/(m² . rok).

Sumář výpočtů, finální hodnocení

Jak vidíme ze společné sumarizační tab. 3, ale i z grafů na obr. 4 a 5, u obou způsobů výpočtu (zjednodušený versus simulační) dochází se zvětšující se plochou transparentních konstrukcí k mírnému poklesu měrné potřeby tepla na vytápění, v případě zjednodušeného výpočtu je to minimální pokles – o cca 3,5 %, v případě simulační metody je to výraznější pokles, až o téměř 21,0 % (při zdvojnásobení této plochy).

Naopak při stanovení měrné potřeby tepla na chlazení je situace opačná a nárůst plochy zasklení v obou případech znamená výrazný nárůst potřeby tepla na chlazení. Při zdvojnásobení plochy zasklení je to v případě zjednodušeného výpočtu nárůst až o téměř 185 %, u simulačního způsobu výpočtu až o 192 % u domu 120, což je téměř trojnásobek hodnoty z domu 060.

V případě simulačního hodnocení je toto řešení doplněno ještě o variantu s použitím účinného venkovního stínění, které výrazně eliminuje zátěž ze slunečního záření a aplikuje se na všech oknech (s výjimkou dvou malých oken – severního koupelnového a jižního na WC) v případě, že teplota v místnosti překročí +26,0 °C. Zde jsou hodnoty měrné potřeby tepla na chlazení i samotný nárůst výrazně nižší – představují zvýšení přibližně o 71,5 % (při zdvojnásobení plochy zasklení). Tento vliv však nelze vhodně kvantifikovat ve zjednodušené metodě výpočtu měrné potřeby tepla na chlazení, proto ani není součástí obr. 4 a částečně ani tab. 3.

Při hlubší analýze dosažených výsledků si lze všimnout (u simulačních výstupů), že energetickou bilanci určitým způsobem ovlivňuje i konkrétní orientace místa, kde zasklení přibývá. Potřeba tepla na vytápění nejvýrazněji klesá, když se okna doplňují na jižní fasádě (mezi 065 a 060, mezi 100 a 095, mezi 080 a 075), naopak nejmenší účinek má nárůst zasklení na západě (mezi 085 a 080, mezi 115 a 110). Při potřebě tepla na chlazení se už tento účinek nijak významně neprojevuje a je zcela zanedbatelný. Nárůst plochy zasklení mezi jednotlivými alternativami představuje přibližně 1,828 m².

Závěr

Analýza problematiky velikosti zasklených ploch, které jsou především z architektonického hlediska velmi žádaným prvkem obytných místností, prokázala, že v případě požadavku na chlazení představuje principiálně zdvojnásobení zasklených ploch významný nárůst, při vytápění je to jen mírný pokles.

Z hlediska přibližování se realitě (i z hlediska akumulačních schopností jednotlivých obalových konstrukcí, dělicích konstrukcí, různých dynamických jevů, celého vnějšího klimatu, které jsou v energetické simulaci podstatně lépe realizovány) lze konstatovat, že na straně vytápění znamená zdvojnásobení plochy zasklení pokles požadavku na topení asi o 20 % a nárůst požadavku na chlazení kolem 190 %, v případě aplikace účinného venkovního stínění jde o nárůst na úrovni přibližně 70 %. Z těchto hodnot též vyplývá, že účinné stínění může snížit potřebu chladu na třetinu při podílu zasklení 6,0 %, při podílu 12,0 % je to pokles až na pětinu, což je pokles vskutku mimořádný.

Transparentní konstrukce tak především při samotném návrhu a předběžném projektování budov s co nejnižší energetickou náročností musí ve svém počtu, velikosti, ale hlavně u velikosti plochy plně respektovat výrazně zvýšené požadavky na chlazení v letním období, které jsou s tím spojené.

Na jedné straně je úžasné sedět doma v obývacím pokoji a dívat se přes celoprosklenou stěnu na romantický západ slunce, na druhé straně nesmíme zapomínat na to, že je to možné částečně i za cenu zvýšené energetické náročnosti tohoto bydlení (při požadavku na tepelnou pohodu v letním období), která se bohužel ekonomicky prokáže až během užívání si tohoto dokonalého pocitu (hlavně když se neaplikují prvky umělé inteligence budov, například v podobě automatického stínění).

Ing. Peter Buday, Ph.D., Ing. Rastislav Ingeli, Ph.D.
Autoři působí na Katedře konstrukcí pozemních staveb SvF STU v Bratislavě.
Recenzoval: Ing. Ladislav Piršel, Ph.D.

Obrázky: autoři

Příspěvek vznikl s podporou Ministerstva školství, vědy, výzkumu a sportu Slovenské republiky a SAV v grantovém projektu VEGA č. 01/0087/16 (Tepelnětechnické vlastnosti budov s téměř nulovou potřebou energie).

Literatura

1. Zákon č. 300/2012 Sb. z., jímž se mění a doplňuje zákon č. 555/2005 Sb. z. o energetické hospodárnosti budov a o změně a doplnění některých zákonů ve znění pozdějších předpisů a jímž se mění a doplňuje zákon č. 50/1976 Sb. z. o územním plánování a stavebním pořádku (stavební zákon) ve znění pozdějších předpisů.
2. STN 73 0540-2, 2016/Z1: Tepelnětechnické vlastnosti stavebních konstrukcí a budov, Tepelná ochrana budov. Část 2: Funkční požadavky. Srpen 2016, Změna 1.
3. STN 73 0540-2, 2012: Tepelnětechnické vlastnosti stavebních konstrukcí a budov, Tepelná ochrana budov. Část 2: Funkční požadavky. Červenec 2012.
4. STN EN ISO 13 790: Energetická hospodárnost budov. Výpočet potřeby energie na vytápění a chlazení. Květen 2009.
5. Energy Plus 7.0 – Simulační energetický program, dostupné online na http://apps1.eere.energy.gov/ buildings/energyplus/.
6. Sketchup 8.0 – Grafický program, dostupné online na http://www.sketchup.com/.
7. Openstudio 0.10 – Podpůrný výpočtový program pro Energy Plus, dostupné online na http://openstudio. nrel.gov/.
8. Program OS.EHB.SK, verze 3.1-2013 – Tepelnětechnické posouzení, tepelná ochrana budov (autor: Rastislav Ingeli), dostupné online na https://www.ehb.sk/.
9. Buday P.: Letné prehrievanie obytnej miestnosti rodinného domu v nadväznosti na jeho orientáciu k svetovým stranám. ABCM 2016, Ostrava: VŠB, 2016.
10. Buday, P. – Ingeli, R.: Vonkajšie tienenie obytných budov a jeho vplyv na energetickú hospodárnosť. Vykurovanie 2015, Bratislava: SSTP, 2015.
11. Ingeli, R. – Minarovičová, K. – Čekon, M.: Architectural elements with respect to the energy performance of buildings (2014) Advanced Materials Research.
12. Katalogové projekty rodinných domů, dostupné online na http://www.eurolineslovakia.sk/sk/projekty/.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 3/2017.